Этот мощный новый инструмент для изучения мозга может рассказать нам, как работает сознание
Исследователи разработали план применения транскраниального сфокусированного ультразвука — неинвазивной методики стимуляции мозга и изучения его работы.
Сознание долгое время считалось одной из самых сложных загадок науки. Исследователи до сих пор не до конца понимают, как физические процессы в мозге порождают мысли, ощущения и чувства. Однако разрабатываемый метод исследования, известный как транскраниальный сфокусированный ультразвук, может предложить новый способ изучения того, как происходит эта трансформация.
Хотя эта технология существует уже несколько лет, она еще не получила широкого распространения в научных исследованиях. Теперь два исследователя из Массачусетского технологического института готовятся использовать ее в новой серии экспериментов и опубликовали то, что они называют «планом», описывающим, как эта методика может быть применена к научному изучению сознания.
«Транскраниальный сфокусированный ультразвук позволит стимулировать различные части мозга у здоровых испытуемых способами, которые раньше были недоступны», — говорит Дэниел Фриман, исследователь из Массачусетского технологического института и соавтор новой статьи на эту тему. «Это инструмент, полезный не только для медицины или даже фундаментальной науки, но и способный помочь в решении сложной проблемы сознания. Он позволяет исследовать, где в мозге находятся нейронные цепи, генерирующие ощущение боли, зрительное восприятие или даже нечто столь сложное, как человеческое мышление».
В отличие от других методов стимуляции мозга, транскраниальный сфокусированный ультразвук не требует хирургического вмешательства и может достигать более глубоких областей мозга с большей точностью, чем такие подходы, как транскраниальная магнитная или электрическая стимуляция.
«Существует очень мало надежных способов манипулирования мозговой активностью, которые были бы безопасными и одновременно эффективными», — говорит Матиас Мишель, философ из Массачусетского технологического института, изучающий сознание и являющийся соавтором новой работы.
Статья была недавно опубликована в журнале Neuroscience and Biobehavioral Reviews. Авторами являются Фриман, технический сотрудник лаборатории Линкольна в Массачусетском технологическом институте; Брайан Одегард, доцент психологии в Университете Флориды; Сын-Шик Ю, доцент радиологии в Бригхэмской женской больнице и Гарвардской медицинской школе; и Мишель, доцент кафедры философии и лингвистики Массачусетского технологического института.
Переход от наблюдения к причинно-следственной связи
Изучение человеческого мозга особенно сложно из-за ограничений, связанных с работой со здоровыми добровольцами. За пределами нейрохирургии у ученых мало возможностей для прямого доступа к глубоким структурам мозга. Неинвазивные инструменты, такие как МРТ и ультразвук, могут предоставлять изображения, в то время как электроэнцефалография (ЭЭГ) регистрирует электрическую активность на поверхности мозга. Транскраниальный сфокусированный ультразвук предлагает нечто иное. Посылая акустические волны через череп и концентрируя их в области шириной всего несколько миллиметров, исследователи могут стимулировать определенные области мозга и наблюдать за эффектами.
«Это действительно первый случай в истории, когда можно модулировать активность глубоко в мозге, на расстоянии нескольких сантиметров от кожи головы, исследуя подкорковые структуры с высоким пространственным разрешением», — говорит Фриман. «В глубине мозга находится множество интересных эмоциональных цепей, но до сих пор ими нельзя было управлять вне операционной».
Эта возможность напрямую изменять активность мозга может помочь разрешить давние вопросы о причинно-следственных связях в исследованиях сознания. Многие современные исследования отслеживают сигналы мозга во время обработки людьми визуальной информации или других сенсорных данных, но часто неясно, порождают ли эти сигналы сознательный опыт или просто следуют за ним. Активно изменяя нейронную активность, исследователи могут различать процессы мозга, которые порождают сознание, от тех, которые отражают его последствия.
«Транскраниальный сфокусированный ультразвук дает нам решение этой проблемы», — говорит Мишель.
Проверка конкурирующих теорий сознания
«Дорожная карта», изложенная в новой статье, призвана помочь различить две основные концепции сознания. В целом, «когнитивистская» концепция утверждает, что нейронная активность, порождающая сознательный опыт, должна включать в себя более сложные психические процессы, такие как рассуждение или саморефлексия. Эти процессы связывают информацию из многих различных частей мозга в единое целое, вероятно, используя лобную кору головного мозга.
В противоположность этому, «некогнитивистская» идея сознания утверждает, что сознательный опыт не требует такого когнитивного механизма; вместо этого, определенные паттерны нейронной активности непосредственно порождают конкретные субъективные переживания, без необходимости сложных интерпретационных процессов. В этой точке зрения, активность мозга, ответственная за сознание, может быть более локализована, в задней части коры или в подкорковых структурах в задней части мозга.
Для продуктивного использования транскраниального сфокусированного ультразвука исследователи формулируют ряд более конкретных вопросов, которые могут быть рассмотрены в экспериментах: Какова роль префронтальной коры в сознательном восприятии? Генерируется ли восприятие локально или необходимы сети, охватывающие весь мозг? Если сознание возникает в разных областях мозга, как восприятия из этих областей объединяются в единое целое? И какова роль подкорковых структур в сознательной деятельности?
Модулируя активность мозга в экспериментах, включающих, например, визуальные стимулы, исследователи могли бы приблизиться к ответам на вопросы о тех областях мозга, которые необходимы для формирования сознательного мышления. То же самое относится и к исследованиям, например, боли — еще одного ключевого ощущения, связанного с сознанием. Мы отдергиваем руку от горячей плиты до того, как почувствуем боль. Но как генерируется сознательное ощущение боли и где именно в мозге это происходит?
«Это фундаментальный научный вопрос: как генерируется боль в мозге?» — говорит Фриман. — «И удивительно, что существует такая неопределенность… Боль может исходить из корковых областей или из более глубоких структур мозга. Меня интересуют методы лечения, но мне также любопытно, могут ли подкорковые структуры играть более значительную роль, чем считается. Возможно, физическое проявление боли происходит в подкорковых структурах. Это гипотеза. Но теперь у нас есть инструмент для ее изучения».
От дорожной карты к реальным экспериментам
Фриман и Мишель не просто абстрактно намечают курс для других; они планируют будущие эксперименты, сосредоточенные на стимуляции зрительной коры, прежде чем перейти к более высокоуровневым областям лобной коры. В то время как методы регистрации мозговой активности, такие как ЭЭГ, выявляют области, реагирующие на зрительную информацию, эти новые эксперименты направлены на создание более полной, причинно-следственной картины всего процесса зрительного восприятия и связанной с ним мозговой активности.
«Одно дело сказать, реагировали ли эти нейроны электрически. Другое дело сказать, видел ли человек свет», — говорит Фриман.
Мишель, со своей стороны, также играет активную роль в повышении интереса к исследованиям сознания в Массачусетском технологическом институте. Вместе с Эрлом Миллером, профессором нейробиологии имени Пиковера на кафедре мозга и когнитивных наук Массачусетского технологического института, Мишель является соучредителем Клуба сознания MIT — междисциплинарного проекта, направленного на стимулирование дальнейших академических исследований сознания в кампусе и других учреждениях Бостона.
Клуб сознания MIT частично поддерживается MITHIC, инициативой MIT Human Insight Collaborative, поддерживаемой Школой гуманитарных, художественных и социальных наук. Программа направлена на проведение ежемесячных мероприятий, одновременно занимаясь передовыми исследованиями в области сознания.
В настоящее время, по мнению Мишеля, передовые исследования в значительной степени связаны с транскраниальным сфокусированным ультразвуком.
«Это новый инструмент, поэтому мы пока не знаем, насколько он эффективен», — говорит Мишель. «Но я считаю, что риск невелик, а потенциал высок. Почему бы не пойти по этому пути?»
